С помощью суперкомпьютера моя группа создала модель движения по спирали и столкновения двух вращающихся черных дыр. Оказалось, что когда дыры сталкиваются и сливаются, четыре вихря (по одному на каждый полюс каждой дыры) размещаются на горизонте событий новообразованной черной дыры. Сама эта черная дыра вращается, выплескивая эти четыре вихря наружу и в стороны, подобно струям воды из вращающегося дождевателя – это изображено на рисунке 6а. По мере продвижения в открытый космос эти вихри становятся гравитационными волнами.
Рис. 6. a) Четыре воронки вращающегося пространства показываются из получившейся в результате слияния вращающейся черной дыры. b) Вихревые кольца, выбрасываемые получившейся в результате слияния невращающейся черной дырой.
Если вместо того чтобы вместе двигаться по спирали бинарной орбиты, черные дыры сталкиваются «лоб в лоб», четыре прикрепленных в новообразованной дыре вихря не могут двинуться наружу, в космос. Каждый из вихрей мечется между движением по часовой и против часовой стрелки. Каждый раз при перемене направления черная дыра выбрасывает тороидальное вихревое кольцо, которое напоминает кольцо дыма (рис. 6b). По мере того как эти кольца двигаются наружу, они тоже становятся гравитационными волнами.
Мощность вихрей проиллюстрирована на следующем слайде, где показаны результаты компьютерной симуляции вращающейся черной дыры, разрывающей нейтронную звезду-компаньона. Звезда в 1,5 раза тяжелее Солнца, ее диаметр – 25 километров. Черная дыра в 4,5 раза тяжелее Солнца и вращается вокруг оси, отмеченной линией. Звезда и черная дыра первоначально вращаются друг вокруг друга в горизонтальной плоскости (рис. 7а). По мере обращения по орбите они теряют энергию (которая переходит в гравитационные волны) и, следовательно, движутся по спирали внутрь. Когда они приближаются друг к другу, гравитация черной дыры начинает разрывать звезду на части (b), и затем вихри выбрасывают разрушающуюся звезду вверх, в плоскость экватора дыры (перпендикулярно линии (c и d)). Представьте себе мощность, необходимую, чтобы выбросить 1,5 солнечной массы вещества, обладающего плотностью атомного ядра, вверх с горизонтальной плоскости в экваториальную плоскость дыры! Впечатляюще.
Рис. 7. Вращающаяся черная дыра разрывает нейтронную звезду, состоящую из ядерного вещества.
Согласно симуляции, которую в Корнеллском университете создал Мэтт Дайез, около 70 % вещества разрушенной звезды сразу поглощается черной дырой. Оставшиеся 30 % попадают в диск очень горячего газа, который испускает короткий всплеск нейтрино и гамма-излучения, а затем – яркий свет.
Скоординированные наблюдения за источниками гравитационных волн, нейтрино, гамма-излучения и света позволят многое узнать о черной дыре и ее вихрях, нейтронной звезде и ее ядерном веществе и о том, как все эти элементы ведут себя при масштабном столкновении. Затем (очень важная стадия) эти наблюдения необходимо будет сравнить с нашими компьютерными моделями. Мы называем такой захватывающий подход «многоканальной астрономией» и планируем работать в этом ключе с 2017 года.
Как можно обнаружить гравитационные волны и наладить наблюдение за ними? В каждой волне есть скручивающие пространство вихри, о которых мы говорили. Но по мере путешествия в межгалактическом пространстве вихри становятся настолько слабыми, что мы не можем засечь их с помощью доступных технологий.
К счастью, эти волны также растягивают и сжимают само пространство. Это растяжение и сжатие также довольно небольшое, но оно идеально подходит для обнаружения и мониторинга методом лазерной интерферометрии. В соответствии с этим, в 1983 году мы с коллегами Райнером Вайссом (из Массачусетского технологического института) и Роном Древером (из Калифорнийского технологического института) начали проект LIGO – лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории.
Концепция детекторов гравитационных волн LIGO схематически изображена на рисунке 8. Четыре зеркала (каждое весом в 40 кг) закреплены на подвесных опорах. Два зеркала ориентированы в одну сторону (скажем, по направлению восток – запад), а другие два ориентированы в перпендикулярном направлении (скажем, север – юг), и зеркала каждого рукава разнесены на 4 километра (которые обозначены на рисунке буквой L). Когда приходит гравитационная волна, она одновременно раздвигает зеркала восток – запад и сдвигает зеркала север – юг на одинаковое ничтожное расстояние: примерно 10-17 см. По мере того как волна переходит от своего гребня к впадине, направление сжатия и растяжения пространства меняется, а затем меняется опять и так далее. Временные промежутки следуют некоторому шаблону (форме волны), который несет в себе закодированную информацию об источнике волны.
Рис. 8. Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория
В обсерватории LIGO эти движения отслеживаются с помощью лазерного луча – лазерной метрологии сверхвысокой точности, а изображение источника гравитационной волны извлекается из наблюдаемой формы волны путем сравнения с компьютерными моделями.
Вайсс, которому принадлежит идея этого проекта, – гениальный ученый. Несколько лет я был настроен чрезвычайно скептически, я не думал, что это когда-либо сработает. Я был не прав. Но чтобы понять мой скептицизм, подумайте о том, насколько незначительны движения этих зеркал. Толщина человеческого волоса примерно 10-2 см. Разделите эту цифру на 100 и вы получите длину волны света, используемую в LIGO – один микрон. Разделите это на 10 000 и получите диаметр атома – самую малую величину, когда-либо запечатленную микроскопом. Разделите это еще на 100 000 и получите диаметр ядра атома. А теперь разделите это еще на 1000 и получите движения, которые засекает LIGO: 10–17 сантиметра!
Расстояние настолько мало, что на этом уровне движения зеркал LIGO регулируются законами не классической, а скорее квантовой физики. Например, принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что сам акт столь точного измерения местоположения зеркала весом 40 килограммов неизбежно нарушит его скорость на величину, различимую для LIGO. Мы никогда еще не видели, чтобы объект размером с человека вел себя квантово-механически. В LIGO мы собираемся сделать это в течение следующих нескольких лет, и для этого мы используем принципы нового раздела науки – квантовой теории информации. Я и мои студенты провели большую часть 1980-х годов, теоретически исследуя необходимую технологию, а в начале 2000-х, наконец, у нас появились первые практические разработки.
